아주대-삼성전자 연구팀. 왼쪽부터 백석현 대학원생(지능형반도체공학과 석박사통합과정 / 제1저자), 최준규 박사(정보통신전자연구소 / 교신저자), 이승현 학생(지능형반도체공학과 4학년 / 제1저자), 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과 / 교신저자), 이정훈 PL(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 교신저자), 이홍준 박사(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 제1저자), 윤진구 박사(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 공동저자)
아주대-삼성전자 연구팀. 왼쪽부터 백석현 대학원생(지능형반도체공학과 석박사통합과정 / 제1저자), 최준규 박사(정보통신전자연구소 / 교신저자), 이승현 학생(지능형반도체공학과 4학년 / 제1저자), 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과 / 교신저자), 이정훈 PL(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 교신저자), 이홍준 박사(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 제1저자), 윤진구 박사(삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 / 공동저자)

[헤럴드경제(수원)=박정규 기자]아주대·삼성전자 공동 연구팀이 차세대 반도체 공정에 적용가능한 새로운 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

기존 공정에 바로 호환이 가능한데다, 생산성은 높이고 제조 비용은 낮출 수 있어 반도체 소재 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

아주대(총장 최기주)는 박성준 교수(전자공학과·지능형반도체공학과) 공동 연구팀이 반도체 공정에서 미세 패턴 형성에 필요한 극자외선(EUV) 노광량을 줄이고 식각 공정에 대한 내구성과 패턴 유지 성능을 향상시킨 고성능 포토레지스트를 개발했다.

해당 연구는 ‘저노광량 EUV 리소그래피를 위한 주석 배위결합형 하이브리드 포토레지스트(Tin-Coordinated Hybrid Photoresists for Dose-Efficient EUV Lithography)’라는 제목으로 엘스비어(Elsevier)가 발행하는 화학공학 분야 국제 학술지 <케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)>에 7월 게재됐다.

이번 연구에는 아주대 지능형반도체공학과 이승현 학생(4학년)·백석현 석박사통합과정 학생과 삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 이홍준 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 아주대 정보통신전자연구소 최준규 박사와 삼성전자 DS부문 메모리소재기술팀 이정훈 PL(아주대 지능형반도체공학과 박사과정), 아주대 전자공학과·지능형반도체공학과 박성준 교수는 공동 교신저자로 연구를 이끌었다.

반도체 극자외선(EUV·Extreme Ultraviolet) 극자외선(EUV·Extreme Ultraviolet) :매우 짧은 파장 영역을 갖는 전자기파로, 기존의 자외선보다 파장이 짧아 반도체 웨이퍼에 초미세·초정밀 회로를 그리는 최첨단 노광 공정에 활용된다. 노광 공정(Photolithography)은 설계된 회로를 웨이퍼 위에 그려 넣는 작업을 말하며, 반도체 칩의 집적도 및 성능을 결정하는 매우 중요한 단계 중 하나다.

리소그래피란 극자외선을 이용해 반도체 웨이퍼 위에 초미세 회로를 그리는 최첨단 노광 기술이다. 이 기술은 차세대 초미세·고성능 반도체의 양산을 위한 핵심적 기술이다. 반도체 극자외선(EUV) 리소그래피 기술은 현재 널리 사용되고 있는 불화아르곤(ArF) 기반 노광 기술보다 약 14배 짧은 파장의 빛을 사용하기 때문에, 더 작고 정밀한 반도체 회로를 구현할 수 있다.

반도체의 성능 향상을 위해 소자의 집적도가 높아질수록, 수십 나노미터 이하의 미세 패턴을 정확하게 만들고 유지하는 기술이 중요해진다. 이를 위해 적은 양의 극자외선(EUV) 빛만으로도 선명한 패턴을 형성하고, 이후 불필요한 부분을 깎아내는 식각 공정에서도 패턴이 무너지지 않는 고성능 포토레지스트가 필요하다.

포토레지스트(Photoresist, PR)는 빛에 반응해 성질이 변하는 감광액으로, 반도체 노광 공정의 핵심 소재다. 그러나 기존의 반도체 공정에서 많이 활용되어 온 화학 증폭형 고분자 기반 유기 포토레지스트(Chemically Amplified Resist, CAR)는 반도체 극자외선(EUV) 리소그래피 공정에서는 한계를 보여왔다. 극자외선(EUV) 공정에서는 반도체 패터닝을 위해 매우 얇은 포토레지스트 박막을 사용하는데, 그로 인해 극자외선(EUV) 광자를 충분히 흡수하기 어렵고 그만큼 더 많은 노광량이 필요해 공정 시간과 비용이 증가할 수 있다. 또 얇은 포토레지스트는 패턴을 반도체 기판에 옮기는 식각 공정에서 쉽게 손상돼 충분한 식각 내성을 확보하기 어렵다.

EUV 패턴 공정을 위한 유무기 하이브리드 포토레지스트(HPR) 소재의 화학적 구조 정보와 합성 단계, 그리고 EUV를 활용한 패턴 공정을 통해 확보한 수십 나노미터 수준의 필러 모양 패턴 이미지. 기존 포토레지스트 공정과 높은 호환성을 갖춰 별도의 복잡한 공정 변경 없이 적용이 가능하다.[아주대 제공]
EUV 패턴 공정을 위한 유무기 하이브리드 포토레지스트(HPR) 소재의 화학적 구조 정보와 합성 단계, 그리고 EUV를 활용한 패턴 공정을 통해 확보한 수십 나노미터 수준의 필러 모양 패턴 이미지. 기존 포토레지스트 공정과 높은 호환성을 갖춰 별도의 복잡한 공정 변경 없이 적용이 가능하다.[아주대 제공]

반면 금속산화물 기반 무기 포토레지스트는 극자외선(EUV) 빛을 잘 흡수하고 식각 공정에도 강하지만, 소재의 장기 안정성과 보관성, 기존 제조 공정과의 호환성 등에 문제가 있다.

이에 공동 연구팀은 두 소재의 장점을 결합하기 위해 기존 유기 포토레지스트에 주석(Sn) 전구체를 혼합한 ‘하이브리드 포토레지스트(HPR·Hybrid Photoresist)’를 개발했다. 연구팀은 극자외선(EUV) 빛을 받은 영역에서, 주석 성분과 유기 포토레지스트 사이의 결합이 강화되면서 더욱 단단한 구조가 형성된다는 사실을 확인했다. 이 구조는 현상 과정에서 필요한 패턴이 사라지거나 변형되는 것을 막아주고, 이후 식각 공정에서도 패턴 손상을 줄이는 역할을 한다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 주석이 포함된 하이브리드 포토레지스트는 기존 유기 포토레지스트보다 식각 공정에 대한 내구성이 우수했다. 외부 힘에 의해 패턴이 무너지거나 변형되는 현상이 줄었으며, 반도체 제조 과정에서 사용되는 여러 종류의 용매에 노출된 뒤에도 소재가 안정적으로 유지됐다.

연구팀이 개발한 ‘하이브리드 포토레지스트(HPR)’는 새로운 고분자나 복잡한 금속산화물 소재를 별도로 합성하는 대신, 기존 포토레지스트 용액에 주석 성분을 혼합하는 간단한 방법으로 가능하다. 덕분에 추가적인 합성 설비나 복잡한 제조 공정 없이 기존 용액 기반 공정을 활용할 수 있으며, 주석 함량도 목적에 따라 쉽게 조절할 수 있다.

특히 이번 연구는 아주대와 삼성전자와의 공동연구를 통해 실제 반도체 제조에 사용되는 반도체 극자외선(EUV) 공정 환경에서 소재 성능을 검증했다는 점에서 의미가 크다. 연구팀은 양산에 사용되는 12인치 웨이퍼 기반 EUV 공정에서 하이브리드 포토레지스트(HPR)의 패터닝 성능을 평가했다. 그 결과, 최적화된 조성의 하이브리드 포토레지스트는 기존 유기 포토레지스트와 동일한 크기의 패턴을 형성하면서도 필요한 EUV 노광량을 패턴 간격에 따라 약 16%에서 최대 23%까지 줄일 수 있었다.

‘노광량’은 반도체 극자외선(EUV) 리소그래피 공정에서 생산성과 제조 비용을 결정하는 핵심 요소다. 더 적은 노광량으로 동일한 패턴을 형성할 수 있다면, 노광 과정을 포함하는 패턴 공정에 필요한 시간이 단축되어, 고가의 극자외선(EUV) 장비를 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 이는 반도체 생산량을 높이고 제조 비용을 낮추는 효과로 이어질 수 있다. 이에 이번 연구는 낮은 노광량에서의 미세 패턴 형성뿐 아니라, 현상 후 패턴이 남아 있는 비율인 잔막 유지율과 식각 내성, 기계적 안정성을 함께 향상시켰다는 점에서 차세대 반도체 소재 연구의 중요한 진전으로 평가된다.


fob140@heraldcorp.com